DE2555814A1

DE2555814A1 - Hochtemperaturfester schichtenkoerper insbesondere fuer gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2555814A1
Application number: DE19752555814
Authority: DE
Inventors: Jagnandan Kumar Bhangu; Brian Draycott Edwards
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1974-12-13
Filing date: 1975-12-11
Publication date: 1976-06-24
Also published as: FR2294330B1; GB1530594A; FR2294330A1; JPS582340B2; DE2555814C2; IT1050073B; JPS5186067A

Description

Rolls-Royce (1971) Limited, London/England

Hochtemperaturfester Schichtenkörper insbesondere für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schichtenkörper, der insbesondere für die hohen Temperaturen ausgesetzten Teile von Gasturbinenstrahltriebwerken geeignet ist, aber auch für andere Zwecke Anwendung finden kann.

Die Turbineneintrittstemperaturen sind bei Gasturbinentriebwerken in den letzten Jahren stark angehoben worden und es besteht weiter die Tendenz, die Temperaturen zu erhöhen, weil der Bedarf nach Gasturbinentriebwerken mit noch höherem Schub und mit noch größerer Wirtschaftlichkeit besteht. Der thermische Wirkungsgrad, d.h. die Ausgangsleistung und der Brennstoffverbrauch können durch höhere Kompressordrücke und höhere Verbrennungstemperaturen verbessert werden. Ein höherer Kompressordruck ergibt seinerseits einen Anstieg der Kompressorauslaßtemperaturen und höhere Drücke in der Brennkammer und demgemäß höhere Kompressorausgangstemperaturen und die Verbrennungswärme ergeben progressiv steigende Schwierigkeiten im Hinblick auf die Brennkammerwandung, um diese auf einem annehmbaren Temperaturbereich zu halten, der durch die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Metalles festgelegt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material zu schaffen, welches in der Lage ist, derartigen erhöhten Temperaturen Stand zu halten.

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— ρ —

Die Erfindung geht aus von einem Schi ent enkörper mit wenigstens zwei aneinander stoßenden Lagen, die flächenmäßig verbunden sind, wobei jede Lage mit einer Vielzahl von Perforationen versehen ist und die stumpf aneinanderstoßende Oberfläche wenigstens eines Paares mit Kanälen versehen ist, die die Perforationen der aneinanderstoßenden Lagen miteinander verbinden·

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in wenigstens einer Lage wenigstens doppelt so groß ist wie die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in der restlichen Lage oder den restlichen Lagen, berechnet pro Flächeneinheit·

So kann der Schichtenkörper aus zwei Lagen bestehen, wobei die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen einer Lage wenigstens doppelt so groß ist wie die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen der anderen Lage pro Flächeneinheit, oder stattdessen können auch drei Lagen vorgesehen sein und vorzugsweise ist hierbei die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in einer der äußeren Lagen wenigstens doppelt so groß wie die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in beiden anderen Lagen wiederum pro Flächeneinheit gerechnet.

Die Perforationen können aus kreisrunden Lächern gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers bestehen und im ersteren Fall sind wenigstens zweimal so viele Löcher in wenigstens einer Lage als in irgend einer anderen Lage per Flächeneinheit angeordnet. Vorzugsweise sind viermal so viel Locher in dieser einen Lage vorhanden als in der anderen Lage oder den anderen Lagen.

Die Löcher können gleichmäßig verteilt sein, oder in zufälliger Verteilung angeordnet werden, und die Zahl der Löcher pro Flächeneinheit kann sich über der Oberfläche der Lagen ändern.

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Die Perforationen in der einen Lage können irgend eine geeignete Gestalt haben, die von der Kreisform abweicht und zweckmäßigerweise können hierfür rechteckige Schlitze vorgesehen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Schiehtenkörper aus zwei Lagen, von denen eine mit Löchern und die andere mit rechteckigen Schlitzen versehen ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche der Schlitze wenigstens doppelt so groß ist wie die Querschnittsfläche der Löcher pro Flächeneinheit. Die rechteckigen Löcher sind vorzugsweise parallelz zueinander angeordnet.

Es ist zweckmäßig, daß der Schichtenkörper in der Weise benutzt wird, daß die Lage mit den Perforationen größerer Quersehnittsfläche den hohen Temperaturen ausgesetzt wird, und die Lage mit den Perforationen kleinerer Querschnittsfläche einer Kühlströmung ausgesetzt ist.

Um einen Kühlfilm in der Nähe der Lage mit den Perforationen kleinerer Querschnittsflächen zu halten, kann eine nicht perforierte Lage benachbart zu dieser Lage angeordnet werden, derart daß ein KühlStrömungsraum zwischen den Lagen verbleibt.

Die nicht perforierte Lage kann von der perforierten Lage durch geeignete Rippen oder Abstandshalter getrennt sein, die entweder mit den Lagen verbunden sind,oder die einstückig mit den Lagen hergestellt sind.

Die Erfindung umfaßt auch eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk, welche mit einer Wand aus perforiertem Schichtenmaterial ausgestattet ist.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand

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- 4 der Zeichnung besehrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines zweilagigen Schichtenkörpers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine der Figur 1 entsprechenden Ansicht eines zweilagigen Schichtenkörpers mit einer abgewandelten Anordnung der Kanäle;

Fig. 3 einen zweilagigen Schichtenkörper, bei dem die eine Lage mit Schlitzen versehen ist;

Fig. 4 eine perspektivische Ansieht eines dreilagigen Schichtenkörpers;

Fig. 5 ; eine perspektivische Teilansicht eines abgewandelten dreilagigen Schichtenkörpers;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines dreilagigen Schichtenkörpers, bestehend aus zwei perforierten Lagen und einer dritten, nicht perforierten Läge;

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, hergestellt aus einem Schichtenkörper gemäß der Erfindung.

Figur 1 stellt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines zweilagigen Schichtenkörpers dar. Die Lage 1 ist mit einer Reihe symmetrisch angeordneter Löcher 2 ausgestattet und besitzt eine Reihe symmetrisch angeordneter Verbindungskanäle 3. Die Kanäle 3 sind nur in einer Oberfläche angeordnet, und die Löcher 2 und die Kanäle 3 sind durch elektrochemisches Ätzen hergestellt, wobei die Löcher 2 jeweils auf jedem zweiten Schnittpunkt der Kanäle 3 liegen, wobei die Löcher in einem

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Kanal um eine Kanalteilung gegenüber den Lächern des benachbarten Kanals versetzt sind. Die Lage 4 ist ebenfalls mit symmetrisch angeordneten Löchern 5 und Verbindungskanälen 6 ausgestattet, wobei diese Kanäle 6 ebenfalls wieder nur in einer Oberfläche ausgebildet sind, aber in der Lage 4 sind doppelt so viel Lächer pro Flächeneinheit vorgesehen als in der Lage 1. Die Löcher 5 durchsetzen die Kanäle in der Lage jeweils in der Mitte zwischen zwei den Kanal kreuzenden Kanälen.

Die Lagen bzw. die die Lagen bildenden Bleche sind flächenmäßig an ihren Berührungsflächen zwischen den Kanälen J5 und 6 miteinander hart verlötet, wobei die Löcher der beiden Bleche gegeneinander versetzt sind.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Kanäle in jedem Blech in einem quadratischen Muster angeordnet, aber die Breite der Quadrate ist im Blech 4 etwas größer und die Bleche sind miteinander derart verlötet, daß die Kanäle diagonal zueinander verlaufen, wobei ihre Schnittpunkte mit den Kanälen 3 nicht die Löcher 2 enthalten, aber den Schnittpunkten der Kanäle gegenüberliegen. Es ist somit ersichtlich, daß ein Strömungsmittel, beispielsweise Luft, welches in ein Loch 2 eintritt, wie durch die Pfeile 7 angedeutet, sich in vier Pfade aufteilt, und radial von dem Loch längs der Kanäle 3 abströmt. Die Luft strömt in die Kanäle 6 an den übereinanderliegenden Schnittpunkten der Kanäle 3 und 6 ein, und wird wiederum in vier radiale Ströme aufgeteilt, bevor sie über die Löcher 5 aus dem Blech 4 austritt. Dieser gewundene Strömungspfad gewährleistet eine wirksame Kühlung großer Flächen der Bleche, wenn diese hohen Temperaturen ausgesetzt sind, und das Ausmaß der Kühlung hängt von den Abmessungen der Löcher und der Kanäle sowie der Abstände und der Zahl von Löchern und Kanälen ab.

Das Blech 4 mit der größeren Zahl von Löchern 5 wird den höheren Temperaturen ausgesetzt und die Kühlluft wird dem Blech

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zugeführt. Die größere Zahl von Löchern im Blech 4 ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung der Kühlluft über die äußere Oberfläche des Bleches 4, so daß ein Kühlluftfilm gebildet wird.

Die Bleche können aus irgend einem hochtemperaturfestem Material, beispielsweise einer Nickellegierung bestehen.

Figur 2 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines perforierten Schichtenkörpers, der im wesentlichen jenem nach Figur 1 entspricht, aber in diesem Falle sind beide Bleche mit einer gleichen Anordnung quer und diagonal verlaufender Verbindungskanäle versehen, aber die Anordnung der Löcher in dem oberen Blech 8 ist identisch jener Anordnung des Bleches 1 gemäß Figur 1 und die Lochanordnung des unteren Bleches 9 ist identisch mit jener des Bleches 4 gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines perforierten Schichtenkörpers, der aus folgenden Lagen besteht: einem Blech 10, das mit Löchern 11 versehen ist, die mit einer Reihe von Kanälen 12 in Verbindung stehen, welche nur auf einer Oberfläche des Bleches 10 ausgebildet sind; einem zweiten Blech 13* das mit einer symmetrisehen Anordnung von quer verlaufenden parallelen Schlitzen 14 versehen ist, die durch das Blech hindurchgehen und mit einer Reihe von Kanälen 15, die den Kanälen 12 des Bleches 10 entsprechen. Wie ersichtlich, wird wenn die Bleche miteinander verlötet sind, die Luft die in die Löcher 11 gemäß dem Pfeil 16 eintritt, auf den Pfad geringsten Widerstandes quer zu den Blechen und in einer Richtung von links nach rechts gemäß Figur 3 strömen um durch die Schlitze 14 auszutreten. Auf diese Weise tritt ein Luftfilra aus jedem Schlitz aus, der von links nach rechts verläuft und einen Kühlluftfilm bildet, der über die äußere Oberfläche des Bleches 13 abströmt. Da eine gewisse Überlappung zwischen den

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Schlitzen besteht, bilden die getrennten Filme, die aus den Schlitzen austreten, einen Luftfilm über die gesamte äußere Oberfläche des Bleches 13.

Figur 4 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines dreilagigen Schichtenkörpers. Bei dieser Ausführungsform ist das äußere Blech 20 mit einer Vielzahl von Löchern 21 versehen und auf der inneren Oberfläche sind mehrere Kanäle 22 angeordnet. Ein mittleres Blech 23 ist mit einer ähnlichen Zahl von Lächern 24, wie das Blech 20 versehen, aber diese Löcher 24 sind nicht auf die Löcher 21 ausgerichtet. Im Blech 23 sind keine Kanäle ausgebildet. Das äußere Blech 25 ist mit viermal so viel Löchern 26 ausgestattet, wie die beiden anderen Bleche 23 und 20, und diese Löcher sind wiederum nicht auf die Löcher 24 ausgerichtet. Die Löcher 26 sind symmetrisch angeordnet und in Gruppen von vier benachbarten Löchern durch kreuzförmige VerbindungsKanäle 27 verbunden, die auf der inneren Oberfläche des Bleches 25 angeordnet sind. Die Luftströmung ist durch die Pfeile 27 angedeutet.

Figur 5 zeigt einen ähnlichen dreilagigen Schichtenkörper, dessen äußeres Blech 33 viermal so viel Löcher 34 besitzt, wie die Bleche 31 und 32. Das Blech 33 ist mit einer symmetrischen Anordnung von Verbindungskanälen 35 versehen, und die Löcher 35 sind in der Mitte zwischen den Verbindungen der Kanäle 35 vorgesehen. Die Luftströmung ist durch die Pfeile 36 gekennzeichnet.

Es können zahlreiche Abwandlungen getroffen werden, die in den Rahmen der Erfindung fallen. So können die Löcher auch unsymmetrisch angeordnet werden, und die Zahl der Löcher pro Flächeneinheit kann über das Blech verschieden sein. Die Löcher oder Schlitze können von unterschiedlicher Größe sein, aber die Gesamtquerschnittsfläche der Löcher oder Schlitze pro

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Flächeneinheit in einem Blech ist wenigstens doppelt so groß wie die gesamte Querschnittsfläche der Löcher wenigstens eines anderen Bleches."So kann z.B. nur das mittlere Blech eines dreilagigen Schichtenkörpers oder das mittlere und das äußere Blech mit der größeren Gesamtquerschnittsfläche der Perforation versehen sein.

Figur β zeigt ein der Figur 1 entsprechendes Ausführungsbeispiel, wobei jedoch ein weiteres nicht perforiertes Blech 40 an dem äußeren Blech 1 befestigt ist. Das Blech 1 ist mit Abstandsrippen 41 versehen, an denen das Blech 40 angelötet ist. Die Kühlströmung wird dann zwischen die Bleche 1 und 40 geleitet. Die Rippen 41 können einstückig mit dem Blech 1 oder 40 hergestellt sein, oder es können getrennte Abstandshalter an beiden Blechen angelötet sein. Stattdessen können die Bleche auch durch eine Vielzahl von Vorsprüngen im Abstand gehalten werden, die in einem der Bleche ausgeformt sind, oder mit den Blechen verlötet sind. Die Luftströmung ist durch die Pfeile 7 gekennzeichnet.

Figur 7 stellt eine schematische Querschnittsansicht einer Gasturbinenbrennkammer dar, die von einem Schichtenkörper gemäß Figur 6 begrenzt ist.

Die Brennkammer ist ringförmig und besitzt eine kreisförmige Außenwand 50 und eine kreisförmige Innenwand 51. Die Wände 50 und 51 bestehen aus einem zweilagigen Schichtenkörper 52 mit einem äußeren, nicht perforierten Blech 53* welches über Abstandshalter 54 im Abstand von dem Schichtenkörper gehalten wird. Die Kühlluft wird durch den Raum zwischen dem nicht perforierten Blech 53 und dem zweilagigen Schichtenkörper 52 hindurchgeleitet und tritt durch die Perforationen der Bleche hindurch und bildet einen Kühlfilm an der inneren Oberfläche.

Es ist ersichtlich, daß ein solcher Schichtenkörper für zahl-

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reiche Anwendungen geeignet ist, bei denen eine Wand hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Patentansprüche:

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Claims

25558H - ίο - PATENTANSPRÜCHE

1. Perforierter Schichtenkörper, bestehend aus ■·-...„ wenigstens zwei einander anliegenden Flächen, die in ihrer Fläche miteinander verbunden sind, wobei jedes Blech mit einer Vielzahl von Perforationen ausgestattet ist und die aneinanderstoßenden Oberflächen wenigstens eines Paares von Blechen mit Kanälen versehen ist, die die Perforationen der einander anliegenden Bleche miteinander verbinden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in wenigstens einem Blech (4, 9* 13* 25» 33) wenigstens doppelt so groß ist, wie die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in dem anderen Blech (1, 8, 10, 20, 23, 31, 32) oder in den verbleibenden Blechen, und zwar gemessen pro Flächeneinheit.

2. Schichtenkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bleche (l,-4, 8, 9* 10, 13) vorgesehen sind, und daß die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen des einen Bleches (4, 9, 13) wenigstens doppelt so groß ist wie die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen im anderen Blech (1, 8, 10), wiederum gemessen pro Flächeneinheit.

3. Schichtenkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß er aus drei Blechen (20, 23, 25, 31, 32, 33) besteht.

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4. Schichtenkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in einem der äußeren Bleche (25, 33) wenigstens doppelt so groß ist wie. die Gesamtquerschnittsfläche der Perforationen in einem der anderen beiden Bleche (20, 23, 31> 32) gemessen pro Flächeneinheit.

5. Schichtenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Perforationen (2, 5, 11, 21, 24, 26) aus kreisförmigen Löchern gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers bestehen, und daß bei gleichem Durchmesser wenigstens doppelt so viel Löcher in dem einen Blech vorgesehen sind wie in den anderen Blechen, gemessen pro Flächeneinheit.

6. Sehiehtenkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß viermal so viel Löcher in dem einen Blech wie in dem anderen Blech oder den anderen Blechen - pro Flächeneinheit vorgesehen sind.

7. Schichtenkörper nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher gleichförmig über die Oberflächen der Bleche verteilt sind,

8. Sehiehtenkörper nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in zufälliger statistischer Verteilung über die Oberfläche der Bleche verteilt sind.

R Π

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9. Schichtenkörper nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Löcher pro Flächeneinheit über die Oberflächen der Bleche unterschiedlich ist.

10. Schichtenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen in wenigstens einem Blech eine von der Kreisform abweichende Gestalt aufweisen.

11. Schichtenkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen in wenigstens einem Blech als rechteckige Schlitze (14) ausgebildet sind.

12. Schichtenkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bleche vorgesehen sind, von denen das eine mit Löchern (11) und das andere mit rechteckigen Schlitzen (14) versehen ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche der Schlitze wenigstens doppelt so groß ist wie die Gesamtquerschnittsfläche der Löcher pro Flächeneinheit.

13· Schichtenkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Schlitze (14) parallel zueinander angeordnet sind.

14. Schichtenkörper nach den Ansprüchen 1 bis Γ5, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht perforiertes Blech (40) benachbart zu dem Blech mit den Perforationen mit kleinerer Gesamt-

Rn ri8 2 '-/07 12 ·/.

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querschnittsfläche derart vorgesehen ist, daß ein Raum zwischen den beiden Blechen verbleibt.

15. SchichtenkSrper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht perforierte Blech (40) von dem perforierten Blech durch Rippen oder Abstandshalter (41) distanziert ist, die mit den Blechen verbunden oder einstückig mit einem der Bleche hergestellt sind.

16. Schichtenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er die Wandung der Brennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerks bildet.

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